1CAE-Seminar Lehrstuhl für Regelungstechnik und Signaltheorie16. –18.02.2004 Referent: Dipl.-Ing. Mark Müller
Einführung in CAE-Systeme
Dipl.-Ing. Mark Müller
Lehrstuhl für Regelungstechnik und Signaltheorie
2CAE-Seminar Lehrstuhl für Regelungstechnik und Signaltheorie16. –18.02.2004 Referent: Dipl.-Ing. Mark Müller
Inhalt1. Motivation für CAE-Werkzeuge
2. Modellierung technischer Prozesse
3. Übersicht über CAE-Simulationssysteme
• Kommerzielle Programme
• Freeware
4. Funktionsinhalte von Simulationssystemen
5. Beispiel MATRIXx
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1. Motivation für CAE-Werkzeuge
Klassische Entwurfsmethoden der Regelungstechnik• lineare Entwurfsmethoden (Frequenzkennlinie,WOK)• nichtlinearer Entwurf (z.B. Phasenebene)• Optimierungsverfahren• Zustandsregler
Neuere Entwurfsmethoden• Fuzzy-Control• Expertenregler• Hybride Regelstrukturen
Modellierung technischer Prozesse
Generierung von Source-Code
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2. Modellierung technischer Systeme
Problemstellung:• Keine geschlossene mathematische Lösung
angebbar• Test an realem Prozess nicht möglich
Ursprüngliche Vorgehensweise (ohne CAE):
1. Strukturbild & Systemgleichungen
2. Diskretisierung und Verwendung von numerischen Routinen zur Integration
3. Implementierung mit Programmiersprachen (Basic, C/C++, Pascal, FORTRAN etc.)
4. Simulation
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Nachteil der Implementierung in Quellcode:• Umsetzung in diskretes Simulationsmodell• Programmierkenntnisse• Abkehr von der eigentlichen Aufgabe, dem
Reglerentwurf• Individuelle Simulationsprogramme
intransparent, fehlende Kompatibilität• Fehleranfällig• Zeitraubend (Fehlersuche)• Komplexe Simulationsprogramme
2. Modellierung technischer Systeme
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Vorgehensweise mit CAE-Werkzeugen:
1. Strukturbild & Systemgleichungen meist bereits in graphischer Form angebbar
2. Entfällt !3. Entfällt !4. Simulation5. Kritisches Bewerten der Simulationsergebnisse
2. Modellierung technischer Systeme
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Vorteile:
C Keine Programmierkenntnisse
C Konzentration auf Modellbildung und Simulation
C Weniger fehleranfällig
C Transparent
C Zeit- und kosteneffizient
C Leicht dokumentierbar
2. Modellierung technischer Systeme
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Nachteile:
D Kauf eines CAE-Simulationssystems (Hard- und Software)
D Numerische Rechenfehler Fehlinterpretationen, oberflächliche Analyse (wahlloses Simulieren)
D Fehlinterpretation aufgrund ungenügender Kenntnis der verwendeten Rechenverfahren
2. Modellierung technischer Systeme
9CAE-Seminar Lehrstuhl für Regelungstechnik und Signaltheorie16. –18.02.2004 Referent: Dipl.-Ing. Mark Müller
Übersicht über Simulationssysteme – kommerziell:MATLAB : Modellbildung, Simulation, Reglerentwurf,
MatrixalgebraMATRIXX: Modellbildung, Simulation, Reglerentwurf,
MatrixalgebraMATHEMATICA: symbolische und numerische
MathematikMAPLE: symbolische MathematikMSC.ADAMS: Modellbildung, Simulation, Reglerentwurf,
Matrixalgebra, FEM-UntersuchungMODELICA, DYMOLA, DYNASIM: Chemische Modelle,
elektrische Schaltkreise, Petrinetze, Zustandsdiagramme, thermodynamische Systeme, Hybridesysteme, ...
3. CAE-Simulationssysteme
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Übersicht über Simulationssysteme – kommerziell:LabView: Messwerterfassung und VerarbeitungPSPICE: Elektrische SchaltkreisegPROMS: chemische ProzessmodelleDORA-PC: Regelungstechnik, Entwurf, Analyse,
Simulation http://esr.e-technik.uni-dortmund.de/Software_DfW.htm
MADONNA: Differentialgleichungen, graph. Ausgaben http://www.berkeleymadonna.com/
....
3. CAE-Simulationssysteme
Software Guidemit Preisliste
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Übersicht über Simulationssysteme – Freeware:
SCILAB: Matrixalgebra, Reglerentwurf, Simulation, FEM, ... (Win/Linux/Mac)http://scilabsoft.inria.fr/
ASCEND: Chemical engineering http://www.cs.cmu.edu/~ascend/
ITI SimulationX: Simulation von Fahrzeugen und Antriebssträngen (kostenlose Studi-Ver.) http://www.iti.de
3. CAE-Simulationssysteme
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Grundsätzlich:• mathematische Operationen
- insbesondere Matrix-Operationen• Systemanalyse
- Zustandsdarstellung dynamischer Systeme• Reglersynthese• Simulation
Weiterhin:• Fuzzy-Control-Systeme• System-Identifikation• Modellvereinfachung• Adaptive Regelungen• Neuronale Netze...
4. Funktionsinhalte
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Weiterhin häufig:
• Blockorientierte Modellierung möglich• Modellbibliotheken• Anbindung von Hardware• Echtzeitsimulation• Software- und Hardware-in-the-Loop (SiL und HiL)
Simulation möglich• Autocodeerzeugung• Steuergerätetest• Rapid-Prototyping...
4. Funktionsinhalte
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5. Beispiel MATRIXx
Modularer Aufbau:
• Core Xmath: mathematisches Analysepaket mit• Komandozeilen-Interpreter,• Matrizendarstellung und –berechnung,• Komplexe Zahlen,• Graphischer Datenanzeige, • Objektorientierter Skriptsprache,• Mathematische Grundfunktionen (sin, cos, ...)• Erweiterbar mit Funktions-Bibliotheken • Module wie: Control Design,
Robust Control, Signal Analysis, ...
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5. Beispiel MATRIXx
Modularer Aufbau:
Xmath – Control Design Modul:
• Differentialgleichungen
• Übertragungsfunktionen• Pol/Nullstellen-Darstellung• Zustandsdarstellung• Reglerentwurf nach
• Frequenzkennlinien• Wurzelortskurve• Zustandsregler
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5. Beispiel MATRIXx
Modularer Aufbau:
• Systembuild: • Graphisches Userinterface, • Hierarchische Modellstruktur (Superblocks)• Katalog-Browser, • Online-Hilfe, • Viele Erweiterungsmodule für Neuronale Netze,
Fuzzy-Control, Zustandsautomaten, ...
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5. Beispiel MATRIXx
Modularer Aufbau:
• Systembuild
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5. Beispiel MATRIXx
Modularer Aufbau:
• AutoCode: Echtzeitcode Generierung, für verschiedene Prozessoren optimiert• C und Ada• Hardware-in-the-Loop
• Dokument it: automatische Erstellung von Dokumentationen aus den Modellen
MatrixX mit ToolboxenPreisliste
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5. Beispiel MATRIXx
Beispiel Lissajous-Figuren
t = [0:pi/200:pi]‘;x1 = sin(8*t);x2 = sin(10*t);plot(x1,x2)